专利名称：用于海底采矿的系统的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及水下采矿，尤其涉及用于海底采矿和收集的系统和方法，包括多个共同协作的海底工具。
背景技术：
海床开挖常常是通过挖掘进行的，从而例如获取有价值的冲积砂矿床或使水路保持通航。吸扬式挖掘法包括将管道或管的收集端置于要开挖的海床材料附近，以及利用地面泵产生负压差从而将水和附近的活动海底沉积物吸入到管道中。切吸式挖掘进一步在吸入口处或吸入口附近提供刀头，以分解将被吸入到管中的压实的泥土、沙砾或甚至是坚硬的岩石。大型切吸式挖掘机能使用数万千瓦的切割功率。其他的海床挖掘技术包括旋吸式、喷射式(jet lift)、气升式(air lift)和斗式挖掘(bucket dredging)。大部分挖掘设备典型地仅在数十米的深度操作，即使非常大型的挖掘机，其最大挖掘深度也只略多于一百米。因此挖掘常常限于相对较浅的水域。海底钻井(例如油井)可在多达几千米深度的更深的水域中进行。然而，海底钻井采矿技术不能用于海底采矿。本说明书中所包括的任何对文件、法案、材料、设备、文献等的讨论旨在提供本发明的背景，不应当做承认上述的任何内容构成现有技术基础的一部分或作为先于本申请每项权利要求的优先权日前存在的本发明相关领域的公知常识。在文件中，词语“包括(comprise) ”或其变形“包括(comprises) ”、“包括(comprised) ”或“包括(comprising) ”应当理解为表示包括一个或多个所述的元素、整体或步骤，但不排除任何其他元素、整体或步骤。
发明内容
根据本发明的第一个广泛方面，提供一种用于海底采矿的系统，所述系统包括海底辅助采矿工具，用于作业于海底位点以准备梯段，以及用于将切割后的矿石堆积在收集区域；海底混合采矿工具，用于制造梯段的碎块并且将切割后的矿石堆积在收集区域；海底收集机器，用于堆积在所述收集区域的切割后的矿石，并且将收集的矿石以料浆形式泵送至立管底部；立管和升降系统，用于从所述收集机器接收料浆，并且将所述料浆提升至地面；以及地面船只，用于从所述立管和升降系统接收料浆。根据本发明的第二方面，提供一种用于海底采矿的方法，所述方法包括使用海底辅助采矿工具准备海底位点的梯段，并将切割后的矿石堆积在收集区域；利用海底混合采矿工具对所述梯段进行混合采矿，并将切割后的矿石堆积在收集区域；使用海底收集机器从所述收集区域收集切割后的矿石，并以料浆形式将收集的矿石从所述收集机器泵送至立管底部；并且使用立管和升降系统将所述料浆提升至地面船只。本发明认识到，感兴趣的海底区域可能具有复杂的地形，因此本发明提供同时操作的多个海底采矿工具以有效获取海底材料。海底辅助采矿工具能够往返移动于不平整的场地和斜坡，优选不超过10度、更优选20度、甚至更优选25度。进一步，本发明提供一种可适应于一些实施方式的以部署于很深的水深的系统。例如一些实施方式能够在大于约400米、更优选大于1000米、更优选大于1500米的深度下操作。然而，应当理解，本发明的多工具系统在浅至100米的水中或其他相对较浅的水下应用中也是有用的海底采矿的选择。因此应当理解，提及海底或海床并不旨在排除本发明在湖底、河口水底、海湾水底、测探水底(sound floor)、海滩水底、港口水底等中，在盐水、半盐水或淡水等应用中用于采矿或开挖，这些应用都落在本说明书的范围内。当待获取的材料的厚度大于梯段的高度时(所述梯段的高度由海底混合采矿工具的切割深度限定)，通过顺序的混合采矿步骤和收集步骤，除去材料的多层梯段。所述海底辅助采矿工具可用于准备和修整每个梯段层，或用于仅准备和/或修整一些梯段层。所述海底收集工具可用来除去堆积的沉积物，例如覆盖感兴趣的海底堆积物的淤泥，然后再部署海底辅助采矿工具和海底混合采矿工具。应当理解，在一些应用中，当感兴趣的海底材料(例如矿石)的部分足够容易调动时，可操作收集机器直接获得矿石的这些部分，而不需要真正的切割海底的这些部分。在本发明部署于地形复杂的海底位点的实施方式中，优选使用海底辅助采矿工具来启动位点(site)开挖。例如，海底辅助采矿工具可为海底混合采矿工具准备着陆区域，并且可开挖位点的末端从而为海底混合采矿工具准备第一梯段。复杂地形包括强度和稠度不同的海底，例如沙、泥沙、淤泥、岩石和分解的矿石的储存堆。在海底混合采矿工具切割一个或多个梯段，并且收集机器收集碎块以清理一个或多个梯段之后，优选地进一步使用海底辅助采矿工具来开挖海底混合采矿工具接触不到和/或错过的、残余的梯段末端或边缘部分。这样的实施方式认识到，混合采矿工具可能为了混合采矿能力而欠缺活动性和精确性，因此提供的采矿方法是使用海底辅助采矿工具来修整这种残余的部分。海底辅助采矿工具优选地将其自己的碎块清理至倾卸位点，以使得海底辅助采矿工具能够前进通过其作业的地层。例如，辅助采矿工具可将其产生的碎块以料浆形式泵送至工具行进路径侧面的位置。其中，海底辅助采矿工具切割感兴趣的材料，例如矿石，由海底辅助采矿工具产生的碎块优选地由海底收集机器进行收集。因此，堆积来自辅助采矿工具的碎块的收集区域不需要与堆积来自混合采矿工具的碎块的收集区域相同。海底辅助采矿工具、海底混合采矿工具和海底收集工具可分别为无线远程遥控运载工具(Remotely Operated Vehicle, R0V),或为由附接至地面的母体操作的有线运载工具。在海底混合采矿工具作业于梯段的时间段中，所述海底辅助采矿工具和海底收集机器优选地与梯段保持距离以避免工具干扰，以及在有线运载工具的情形下避免母体缠结。在优选的实施方式中，在该时间中，优选地将所述海底辅助采矿工具和/或海底收集机器使用于附近范围内的位于一个或多个单独的梯段上的它们相应的任务中。这样的实施方式提供了在待前进的多个梯段位点上同时作业，提高工具利用率和位点生产率。优选地对每种工具的浮力进行选择和/或可变控制，以使得工具在潜入水中时具有足够的重量以为该工具的任务施加所需的力。例如，混合采矿工具可配置为具有海底工具最大的负浮力，从而混合采矿工具可施加足够的向下的力以使得能够制造梯段的碎块。海底辅助采矿工具优选地配置为具有恰当的负浮力，以允许海底辅助采矿工具实施辅助切割任务。收集工具可需要相对小的负浮力，例如仅需要足够的负浮力以在除切割模式之外的情况下牵引海底移动。收集工具例如可以具有可变的浮力，以允许收集工具为正浮力或中性浮力，从而利用螺旋推进器或其他推进器抬升至海底之上并在位点附近航行，然后在负浮力的作用下停靠于新的海底位置。在一些实施方式中，海底辅助采矿工具甚至海底混合采矿工具也可具有可变浮力和适当的推进力，以允许在海底之上的类似航行。海底混合采矿工具优选地设计为在相对平坦和相对水平的梯段表面上作业，且设计为在往返移动穿过梯段表面的同时切削表面至切割深度，将碎块留在原位用于后续由海底收集工具进行收集。海底混合采矿工具优选地通过沿一个或多个路径往返移动于梯段的表面，从而基本上切割整个梯段。优选的使混合采矿工具的切割路径最优化，从而基于存在于所关注的位点的特定梯段尺寸和梯段形状，使从梯段的矿石获取最大化。优选地，堆积来自混合采矿工具的碎块的收集区域与矿石梯段位置相同，由此混合采矿工具切割矿石时基本上不需要重新放置矿石。这样的实施方式允许混合采矿工具设计、作用并操作为着重于这种混合开采的切割需求，而不会由于需要考虑重新放置碎块而复杂化。或者，收集区域可位于矿石梯段的远处。在系统的替代实施方式中，辅助采矿机和混合采矿机配置有料浆输送管道，料浆输送管道布置为将碎块从对应的工具以料浆形式传送到位于对应工具的切割位置远处的储存位点。在这样的实施方式中，收集机器主要或只在储存位点进行作业，并将收集的矿石传送到立管和升降系统的底部。这样的实施方式在消除收集机器生产力对混合采矿机和/或辅助采矿机生产力的依赖性方面是有利的。也就是说，即使当混合采矿机和/或辅助采矿机不在进行切割，和/或在混合采矿机和/或辅助采矿机正在切割的同时，收集机器继续从储存位点收集先前切割的矿石。海底收集工具优选地包括活动料浆入口，该活动料浆入口可控地置于待收集的材料(例如原本存在的未固结的沉积物，海底辅助采矿工具产生的碎块和/或海底混合采矿工具产生的碎块)的附近。因此，料浆入口处的吸力使得水和附近的固体以料浆形式被吸至入口中。海底收集工具优选地包括远程附接和断开连接系统，用于连接立式输送管道以将料浆输送至立管底部。在这样的实施方式中，远程连接系统使得能够将收集机器部署至海底，或从海底收回收集机器，而不收回料浆立管系统。料浆入口处的吸力可由收集工具的泵产生，或者由立管底部处的海底输送泵产生。梯段可包括待获取的有价值矿石的矿石梯段，或可包括坚硬岩石的、固结或未固结材料的、或其他为了别的目的需要除去的海底材料的梯段。矿石可包括海底块状硫化物。立管和升降系统优选地包括海底料浆升降泵，以将料浆通过立式管道泵送至地面。
地面船只可以是可航行的船只、平台、驳船或其他地面装备。地面船只优选地包括脱水设备，以对从立管接收的料浆进行脱水，还可进一步包括矿石输送和/或处理设施，例如矿石集中器。
现结合附图对本发明的实施例进行描述，其中图1为根据本发明一个实施方式的海底系统的简化总览图；图2为示出了图1系统的海底操作的流程图；图3 —般性示出了根据图1实施方式在两个相邻海底位点采矿的时间进程；图4示出了在图1实施方式的系统中使用的适当的立管连结点和连接器布置；图5为示出了适用于图1实施方式的脱水设备过程的框图；以及图6a至图6e示出了在本实施方式的系统的操作期间、在选定的采矿阶段的海底采矿环境。
具体实施例方式下列缩写词和首字母缩写词将在后面的整个具体实施方式
中使用
权利要求
1.一种用于海底采矿的系统，所述系统包括海底辅助采矿工具，用于作业于海底位点以准备梯段，以及用于将切割后的矿石堆积在收集区域；海底混合采矿工具，用于制造梯段的碎块并且将切割后的矿石堆积在收集区域； 海底收集机器，用于收集堆积在所述收集区域的切割后的矿石，并且将收集的矿石以料浆形式泵送至立管底部；立管和升降系统，用于从所述收集机器接收料浆，并且将所述料浆提升至地面；以及地面船只，用于从所述立管和升降系统接收料浆。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述海底辅助采矿工具配置为将其自己的碎块清理至倾卸位点，从而使所述海底辅助采矿工具前进通过其作业的地层。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述海底混合采矿工具配置为在相对平坦和相对水平的梯段表面上作业，并且在往返移动穿过所述梯段表面的同时切削所述表面至切割深度，从而使得所述海底混合采矿工具可通过沿一个或多个路径往返移动于所述梯段的表面而基本上切割整个梯段。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述海底混合采矿工具配置为将碎块留在原位以用于后续通过所述海底收集工具进行收集。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述海底收集工具包括活动料浆入口，所述活动料浆入口能够被可控地置于待收集的材料的附近，由此所述料浆入口处的吸力使得水和附近的固体以料浆的形式被吸至所述入口中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述海底收集工具包括远程附接和断开连接系统，用于连接立式输送管道以将所述料浆输送至所述立管底部。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述料浆入口处的吸力由所述收集工具的泵产生。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述料浆入口处的吸力由所述立管底部处的海底输送泵产生。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，所述立管和升降系统包括海底料浆升降泵，用于通过立式管道将料浆泵送至所述表面。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，进一步包括用于保留切割后的矿石的海底储存设备，所述海底辅助采矿工具和/或海底混合采矿工具产生的碎块以料浆形式被泵送至所述海底储存设备，且所述收集机器从所述海底储存设备收集切割后的矿石。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述海底辅助采矿工具能够往返移动于角度不超过10度的不平整的场地或斜坡。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述海底辅助采矿工具能够往返移动于角度不超过20度的不平整的场地或斜坡。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述海底辅助采矿工具能够往返移动于角度不超过25度的不平整的场地或斜坡。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的系统，其中，所述系统能够在大于约400米的深度下操作。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述系统能够在大于1000米的深度下操作。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述系统能够在大于1500米的深度下操作。
17.一种用于海底采矿的方法，所述方法包括使用海底辅助采矿工具准备海底位点的梯段；利用海底混合采矿工具对所述梯段进行混合采矿，并将切割后的矿石堆积在收集区域；使用海底收集机器从所述收集区域收集切割后的矿石，并以料浆形式将收集的矿石从所述收集机器泵送至立管底部；并且使用立管和升降系统将所述料浆提升至地面船只。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述海底辅助采矿工具将切割后的矿石堆积在收集区域，以用于由所述海底收集机器进行收集。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，待获取的材料的厚度大于梯段的高度，所述梯段的高度由所述海底混合采矿工具的切割深度限定，所述方法进一步包括通过顺序的混合采矿步骤和收集步骤，除去所述材料的多层梯段。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述海底辅助采矿工具用于准备和修整每个梯段层。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述海底辅助采矿工具用于仅准备和修整一些梯段层。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其中，在将所述海底辅助采矿工具和海底混合采矿工具部署到感兴趣的海底堆积物之前，采用所述海底收集工具来除去覆盖在所述感兴趣的海底堆积物上的沉积物。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的方法，其中，当被部署到地形复杂的海底位点时，所述海底辅助采矿工具被用来通过为所述海底混合采矿工具准备着陆区域，和/或通过开挖所述位点的末端从而为所述海底混合采矿工具准备第一梯段，来启动位点开挖。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的方法，其中，在所述海底混合采矿工具切割一个或多个梯段，并且所述收集机器收集碎块以清理所述一个或多个梯段之后，使用所述海底辅助采矿工具来开挖所述海底混合采矿工具接触不到和/或错过的、残余的梯段末端或边缘部分。
25.根据权利要求17至24中任一项所述的方法，其中，在所述混合采矿工具作业于梯段的时间段中，所述海底辅助采矿工具和海底收集机器与该梯段保持距离以避免工具干扰，以及在有线运载工具的情形下避免母体缠结。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，在这样的时间中，将所述海底辅助采矿工具和 /或海底收集机器使用于附近范围内的位于一个或多个单独的梯段上的相应的任务中，从而提供以在将要同时前进的多个梯段位点上作业，提高工具利用率。
全文摘要
一种用于海底采矿的系统。一种海底辅助采矿工具，其作业于海底位点以准备梯段，以及将切割后的矿石堆积在收集区域。一种海底混合采矿工具，其制造梯段的碎块并且将切割后的矿石堆积在收集区域。一种海底收集机器，其收集堆积在收集区域的切割后的矿石，并将收集的矿石以料浆形式泵送至立管底部。一种立管和升降系统，其从收集机器接收料浆，并将料浆提升至地面。一种地面船只，其从所述立管和升降系统接收料浆。
文档编号B63C11/52GK103038447SQ201180030174
公开日2013年4月10日 申请日期2011年6月17日 优先权日2010年6月18日
发明者格伦·罗伯特·琼斯, 安东尼·艾略特·英格利斯, 安东尼·保罗·奥萨利文, 迈克尔·豪伊特, 格伦·马丁代尔·史密斯, 罗兰·冈特·伯恩德特, 达尔·哈兰·哲弗兹 申请人:诺蒂勒斯矿物太平洋有限公司